JPH09304054A

JPH09304054A - 測距装置

Info

Publication number: JPH09304054A
Application number: JP12163696A
Authority: JP
Inventors: Atsujirou Ishii; 石井敦次郎; Masahiro Suzuki; 鈴木雅弘; Atsushi Yonetani; 敦米谷
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】コスト高や大型化を招くことなく、光量ロス
の少ない、中抜けのない多点測距の実現、また、パララ
ックスのない測距装置の実現。【解決手段】発光素子１からの光を投光レンズ系２を
通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通し
て光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体まで
の距離を検知する測距装置において、投光レンズ系２の
一部に異なる結像位置を持つ複数の回折パターン７〜９
を形成し、投光光束を分割して、多点測距、パララック
スのない測距装置を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測距装置に関し、
特に、コンパクトカメラ等に用いられる三角測距方式の
いわゆるアクティブ式の測距装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】三角測距方式のいわゆるアクティブ式の
測距装置は、一般に、図１に示すように、発光素子１か
ら出た光束を投光レンズ２によって物体上に投影し、そ
の反射光を受光レンズ３によって光電変換素子４上に結
像させ、その像位置から物体までの距離を判断するもの
である。このとき、図２のように、複数の被写体が間隔
を空けて並んでいると、投光光束が被写体の間を通り抜
けてしまい正しい測距ができない場合がある。いわゆる
中抜けという現象である。これに対して、図３のよう
に、発光素子１の発光部分を複数にして複数方向に投光
することによって、上記の問題を防ぐことが一般に行わ
れている。しかし、この方法では、発光部分を複数にし
なければならないため、コスト高と発光素子１の大型化
を招くことになる。また、投光用レンズ２の軸外の結像
性能まで考慮する必要があった。

【０００３】また、これに対して、例えば特開昭５９−
１９３４０６号に示されているように、投光レンズ系内
に回折構造体を設け、これによって発生する複数の回折
光によって中抜けのない測距を行うことが提案されてい
る。しかし、ここでは発光素子からの光を平行なピッチ
の回折構造体によって複数の次数の回折光に分離すると
いう方法をとっているため、回折効率を良好にし、か
つ、それぞれの回折光の強度を均等に投光するというこ
とが困難であった。また、投光レンズとは別に、新たに
回折構造体を設ける必要があった。

【０００４】また、アクティブ式の測距装置におけるそ
の他の問題として、図４のように、投光レンズ系２の光
軸と撮影レンズＯｂ等の光軸がずれているため、ある被
写体５上で投光光束が撮影レンズＯｂ等の光軸と一致す
るようにすると、別の距離にある被写体６ではずれてし
まうという、いわゆるパララックスの問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術のこ
のような課題を解決するためになされたものであり、そ
の目的は、コスト高や大型化を招くことなく、光量ロス
の少ない、中抜けのない多点測距を実現すること、ま
た、パララックスのない測距装置を実現することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の測距装置は、発光素子からの光を投光レンズ系を通
して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通して
光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体までの
距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の一部
にレンズ作用を有する回折パターンを形成し、投光光束
を分割することを特徴とするものである。

【０００７】本発明のもう１つの測距装置は、発光素子
からの光を投光レンズ系を通して物体に投影し、その反
射光を受光レンズ系を通して光電変換素子上に結像し、
その出力信号から物体までの距離を検知する測距装置に
おいて、投光レンズ系の一部に異なる結像位置を持つ複
数の回折パターンを形成し、投光光束を分割することを
特徴とするものである。

【０００８】本発明のさらにもう１つの測距装置は、発
光素子からの光を投光レンズ系を通して物体に投影し、
その反射光を受光レンズ系を通して光電変換素子上に結
像し、その出力信号から物体までの距離を検知する測距
装置において、投光レンズ系の一部に回折パターンを形
成し、異なる波長の光束を分離することを特徴とするも
のである。

【０００９】本発明においては、投光レンズ系の一部に
回折パターンを形成して光束を分割するので、小型で、
光量効率の良い多点測距やパララックスを補正した測距
が可能になり、また、投光レンズの薄型化も可能にな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の測距装置の基本原
理といくつかの実施例について説明する。

【００１１】本発明において、回折パターンとは、いわ
ゆる回折光学素子（ＤＯＥ）に形成されるパターンのこ
とである。ＤＯＥに関しては、「光学」２２巻６３５〜
６４２頁及び７３０〜７３７頁に詳しく解説されてい
る。また、その応用して、"Hybrid diffractive-refrac
tive lenses and achromats" Appl. Opt. 27,2960-297
1、又は"International Lens Design Conference(199
0)"SPIE,1354 等に記載されたものが知られている。あ
るいは、本出願人による特開平７−２７０６７７号の中
でも説明されている。

【００１２】従来のレンズが媒質の界面における屈折作
用に基づいているのに対し、ＤＯＥは光の回折作用に基
づいている。一般的に、図１３で示すような回折格子Ｇ
へ光が入射したとき、回折作用にて射出される光は以下
の関係式を満たす。ｓｉｎθ−ｓｉｎθ’＝ｍλ／ｄ・・・（ａ）ただし、θは入射角、θ’は射出角、λは光の波長、ｄ
は回折格子のピッチ、ｍは回折次数である。

【００１３】しだかって、（ａ）式に従ってリング状の
回折格子のピッチを適切に構成してやれば、光を一点に
集光させること、すなわちレンズ作用を持たせることが
できる。このとき、ｊ番目の格子のリング半径をｒ_j、
回折面の焦点距離をｆとすると、１次近似の領域にて以
下の式を満たす。

【００１４】ｒ_j ²＝２ｊλｆ・・・（ｂ）また、ここで、（ａ）式より回折面のアッべ数に相当す
る数値を導出すると、約−３．４５となることが知られ
ている。これは、屈折系の約１０倍以上の分散を持つこ
とを意味する。

【００１５】一方、回折格子の構成法としては、明暗の
リングにて構成する振幅変調型、屈折率あるいは光路長
を変える位相変調型等が提案されている。振幅変調型の
ＤＯＥでは複数の回折次数光が発生するため、例えば入
射光の光量と１次回折光の光量比（以下、回折効率と称
する。）は最大でも６％程度である。あるいは、振幅変
調型のＤＯＥを漂白処理等を施して改良したとしても、
回折効率は最大で３４％程度である。しかし、位相変調
型のＤＯＥでは、その断面形状を図１４に示すような鋸
形状で構成すれば回折効率を１００％まで向上できる。
このようなＤＯＥをキノフォームと称している。このと
き、鋸状の山の高さは次式で与えられる。ｈ＝ｍλ／（ｎ−１）・・・（ｃ）ただし、ｈは山の高さ、ｎは基材の屈折率である。

【００１６】（ｂ）式からも予測されるように、回折効
率１００％は只一つの波長に対してのみ達成される。ま
た、キノフォーム形状を図１５（ａ）、（ｂ）のように
階段近似したものはバイナリー光学素子と呼ばれたりす
るが、これはリソグラフィー的手法にて比較的容易に製
作できる。バイナリー光学素子では、４段階近似で８１
％、８段階近似で９５％、１６段階近似で９９％の回折
効率が得られることが知られている。

【００１７】さて、このような回折パターンを用いた実
施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図５（ａ）は
第１実施例の要部を示す。図中、１は発光素子、２は投
光レンズを表す。投光レンズ２は、図５（ｂ）のよう
に、開口が同心円状に７、８、９の３つの部分に分割さ
れていて、それぞれの部分に異なる回折パターンが形成
されている。それぞれの回折パターンは、発光素子１を
発した光束を物体上に結像させるため（図１参照）、一
定のパワーを有する集光作用を持たせるように、同心円
状に形成されているが、３つの部分７、８、９の同心円
の中心は、図５（ｂ）に示すように、真ん中の部分８が
８’の点、中間の領域７が７’の点、外側の領域９が
９’の点とされて、それぞれの部分７、８、９の光軸が
相互にずれて形成されているため、投光レンズ２を通っ
た光束は、その光が通過した領域に応じて、３方向に分
割される。これによって、１つの発光素子１と１つの投
光レンズ２でいわゆる多点測距が可能になり、また、回
折パターン自体が集光作用を持っているため、投光レン
ズ２に曲率を付ける必要がないので、投光レンズ２の薄
型化も同時に可能になる。また、前述のように、回折パ
ターンをキノフォーム形状にすることによって高い回折
効率を得ることができる。ここで、測距に用いられる回
折光は１次以上の任意の次数の回折光でよい。また、こ
のとき、中心の測距精度が最も重要である場合には、中
心に投光する光束は結像位置からずれた被写体距離でも
スポット像の広がりが小さく、また、収差も小さい真ん
中の領域８を通過した光束を用いるのが望ましい。

【００１８】図６（ａ）は第２実施例の要部を示す。こ
こでは、投光レンズ２の開口は分割されずに、開口前面
に３種類の回折パターンが重ねて形成されている。それ
ぞれの回折パターンは、図６（ｂ）に示すように、図５
（ｂ）と同様に中心位置が異なる同心円状のパターンで
ある。これによって、投光レンズ２を通過する光束は開
口前面で３方向に分割される。

【００１９】これら実施例では、光束の分割は３方向で
あるが、分割数は２つ以上の任意の数が可能である。ま
た、図５では開口を同心円状の領域７、８、９に分割し
たが、図７のように、縞状の領域７、８、９に分割する
ことも可能であるし、その他の任意の分割の仕方が可能
である。

【００２０】図８（ａ）は第３実施例の要部を示す。発
光素子１を発した光は、投光レンズ２を通過した後、回
折光学素子１０に入射する。回折光学素子１０には、図
８（ｂ）に示すような平行な直線群からなる回折パター
ンが形成されていて、光束はこの直線群に直角な方向に
回折される。このとき、前述のように、回折光学素子１
０は（ａ）式によってアッべ数が−３．４５相当の非常
に大きな分散作用を有しているので、図８（ａ）のよう
に異なる波長の光が異なる方向に分離される。ここで、
例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３つの分離
したスペクトルを持つ発光素子１を用いれば、投光光束
を３方向に分割することができる。また、波長の異なる
光を時間をずらして発光させ、３方向を時間をずらして
測距することも可能である。さらに、白色の光束を発光
させ、図９に示すように、受光レンズ３を通過した後、
受光素子４に入射する直前に、それぞれの光束が通過す
る位置にＲ、Ｇ、Ｂの光のみを透過するフィルター１
１、１２、１３を配置することによってスペクトルを絞
ることも可能である。

【００２１】ここで、波長λ₀で回折効率を１００％に
したキノフォームの波長λにおける回折効率Ｋは、Ｋ＝ｓｉｎ²［π（λ₀／λ−ｍ）］／［π（λ₀／λ−ｍ）］^２・・・（ｄ）で表される。図１６はその場合の回折効率を表したグラ
フの１例である。このようにすれば、十分広い波長域に
わたって高い回折効率を得ることができる。

【００２２】図１０（ａ）は第４実施例の要部を示す。
発光素子１を発した光は投光レンズ２に入射する。投光
レンズ２の片側の面は正の屈折力の曲率を持ち、もう片
方の面は、図１０（ｂ）のように、この片側の曲面の光
軸から外れた位置に中心を持つ同心円状の回折パターン
が平面上に形成されている。このため、投光レンズ２を
通過した０次の回折光は平凸レンズのパワーのみによっ
て投光レンズ２の片側の曲面の光軸方向に射出して、あ
る距離の位置に結像する。また、１次の回折光は平面側
に形成された回折パターンのパワーによって０次光から
分割され、図１０（ａ）のように、略第１面による結像
点と回折パターンの中心とを結んだ直線上の０次光の結
像点よりも近い位置に結像する。さらに、２次の回折光
は、回折パターンによる集光パワーが１次回折光よりも
強い分だけ、同じ直線上のさらに近い位置に結像する。
これによって、１つの発光素子１からの光束を３方向に
分割することができる。この方法では、１種類の回折パ
ターンで構成するので、回折パターンの作成が容易かつ
精度良くできる。

【００２３】図１１は第５実施例の要部を示す。これ
は、上記第４実施例を先に述べた投光光束のパララック
スの問題の解決のために用いたものである。ここで、０
次の回折光は遠距離の被写体に向けて投光され、回折パ
ターンの光軸を撮影レンズの光軸と一致させることによ
って、１次、２次の回折光を図のように撮影レンズの光
軸上の近距離位置に結像させることができる。これによ
って、それぞれの距離に合った次数の回折光によって測
距を行うことができる。このとき、投光光束は波長が長
い方が遠距離の測距に適しているので、このような配置
の場合に、より長波長側の回折効率が良い０次光を遠距
離の測距に使えるという利点がある。

【００２４】また、第１〜３実施例においても、分割し
た複数の光束を異なる距離の被写体の測距に用いること
ができる。このとき、第３実施例では、上と同様に、長
波長側の光束を遠距離側の測距に用いることが望まし
い。

【００２５】また、第１〜３実施例において、回折パタ
ーンは平行平板上に形成されているが、図１２（ａ）の
ように、片側に曲率を付けることもできる。さらに、第
１〜５実施例において、図１２（ｂ）のように、曲率の
付いている面上に回折パターンを形成することも可能で
ある。このようにすれば、投光レンズ２を１部品で構成
することができ、また、回折パターンの集光作用によっ
てレンズに付ける曲率を緩くすることができるため、投
光レンズ系２の小型化が可能である。さらに、第１〜５
実施例において、図１２（ｃ）のように、反射ミラー面
１４上に回折パターンを形成することも可能である。

【００２６】以上の本発明の測距装置は、例えば次のよ
うに構成することができる。〔１〕発光素子からの光を投光レンズ系を通して物体
に投影し、その反射光を受光レンズ系を通して光電変換
素子上に結像し、その出力信号から物体までの距離を検
知する測距装置において、投光レンズ系の一部にレンズ
作用を有する回折パターンを形成し、投光光束を分割す
ることを特徴とする測距装置。

【００２７】〔２〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部に異なる結像位置を持つ複数の回折パターンを形成
し、投光光束を分割することを特徴とする測距装置。

【００２８】〔３〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部に回折パターンを形成し、異なる波長の光束を分離
することを特徴とする測距装置。

【００２９】〔４〕投光レンズを１枚のレンズで構成
し、その少なくとも一方の面に前記回折パターンを形成
したことを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載の測距
装置。

【００３０】〔５〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部に中心が投光レンズ系の光軸に対して偏心した同心
円状の回折パターンを形成し、投光光束を分割すること
を特徴とする測距装置。

【００３１】〔６〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部の開口を複数の領域に分割し、それぞれの領域に領
域毎に中心が異なる同心円状の回折パターンを形成し
て、投光光束を分割することを特徴とする測距装置。

【００３２】〔７〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部の開口にそれぞれ中心の異なる複数の同心円状の回
折パターンを重ねて形成し、投光光束を分割することを
特徴とする測距装置。

【００３３】〔８〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部に回折パターンを形成し、前記発光素子を複数の波
長のスペクトルを持つ発光素子によって構成し、前記複
数の波長の光束を分離することを特徴とする測距装置。

【００３４】

〔９〕発光素子からの光を投光レンズ系
を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通
して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体ま
での距離を検知する測距装置において、投光レンズ系の
一部に回折パターンを形成し、前記発光素子により複数
の波長の光を時間をずらして発光させ、前記複数の波長
の光束の投光方向を分割することを特徴とする測距装
置。

【００３５】〔１０〕発光素子からの光を投光レンズ
系を通して物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を
通して光電変換素子上に結像し、その出力信号から物体
までの距離を検知する測距装置において、投光レンズ系
の一部に回折パターンを形成して、異なる波長の光束を
分離し、前記光電変換素子の物体側に複数の異なる波長
領域のみを透過させるフィルターをそれぞれの波長の光
束が通過する位置に配置して、複数の分離した波長の光
を検知することを特徴とする測距装置。

【００３６】〔１１〕分割した光束を用いて多点測距
を行うことを特徴とする上記〔１〕から〔１０〕の何れ
か１項記載の測距装置。

【００３７】〔１２〕分割した光束を用いて撮影レン
ズ又はファインダーとのパララックスの補正を行うこと
を特徴とする上記〔１〕から〔１０〕の何れか１項記載
の測距装置。

【００３８】〔１３〕上記〔１１〕記載の測距装置に
おいて、前記複数の領域の中、中心部の領域を通過した
光束を画面中心付近の測距に用いることを特徴とする測
距装置。

【００３９】〔１４〕上記〔１２〕記載の測距装置に
おいて、次数の低い回折光を遠距離の測距に、より次数
の高い回折光を近距離の測距に用いることを特徴とする
測距装置。

【００４０】〔１５〕上記〔１２〕記載の測距装置に
おいて、長波長の投光光束を遠距離の測距に、短波長の
投光光束を近距離の測距に用いることを特徴とする測距
装置。

【００４１】〔１６〕投光レンズを１枚のレンズで構
成し、その少なくとも一方の面に前記回折パターンを形
成したことを特徴とする上記〔５〕から〔１５〕の何れ
か１項記載の測距装置。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、コストアップを招くこ
となく、小型で、光量効率の良い多点測距や、パララッ
クスを補正した測距装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用可能なアクティブ式測距装置の構
成を説明するための図である。

【図２】アクティブ式測距装置の中抜けの問題を説明す
るための図である。

【図３】発光部分を複数にして複数方向に投光する方式
を説明するための図である。

【図４】アクティブ式測距装置のパララックスの問題を
説明するための図である。

【図５】本発明による測距装置の第１実施例の要部と投
光レンズの回折パターンを示す図である。

【図６】本発明による測距装置の第２実施例の要部と投
光レンズの回折パターンを示す図である。

【図７】投光レンズの領域分割の変形例を示す図であ
る。

【図８】本発明による測距装置の第３実施例の要部と投
光レンズの回折パターンを示す図である。

【図９】第３実施例の変形例の要部を示す図である。

【図１０】本発明による測距装置の第４実施例の要部と
投光レンズの回折パターンを示す図である。

【図１１】本発明による測距装置の第５実施例の要部を
示す図である。

【図１２】投光レンズ及び回折パターン設置面の変形例
を説明するための図である。

【図１３】回折格子の回折作用を説明するための図であ
る。

【図１４】キノフォームの断面形状を示す図である。

【図１５】バイナリー光学素子の断面形状を示す図であ
る。

【図１６】キノフォームの回折効率を表したグラフの１
例を示す図である。

【符号の説明】

１…発光素子２…投光レンズ３…受光レンズ４…光電変換素子５、６…被写体７、８、９…分割領域（部分）７’、８’、９’…同心円回折パターンの中心１０…回折光学素子１１、１２、１３…フィルター１４…反射ミラー面Ｏｂ…撮影レンズＧ…回折格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子からの光を投光レンズ系を通し
て物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通して光
電変換素子上に結像し、その出力信号から物体までの距
離を検知する測距装置において、投光レンズ系の一部にレンズ作用を有する回折パターン
を形成し、投光光束を分割することを特徴とする測距装
置。
【請求項２】発光素子からの光を投光レンズ系を通し
て物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通して光
電変換素子上に結像し、その出力信号から物体までの距
離を検知する測距装置において、投光レンズ系の一部に異なる結像位置を持つ複数の回折
パターンを形成し、投光光束を分割することを特徴とす
る測距装置。
【請求項３】発光素子からの光を投光レンズ系を通し
て物体に投影し、その反射光を受光レンズ系を通して光
電変換素子上に結像し、その出力信号から物体までの距
離を検知する測距装置において、投光レンズ系の一部に回折パターンを形成し、異なる波
長の光束を分離することを特徴とする測距装置。